形式陈述
一组初值经过演化,通常不再是轴平行盒。每一步把这个集合重新装入轴平行盒,会丢失分量间的相关性;下一步再传播新添的点,外包络可能越来越宽。这种反复集合外包带来的扩张称为包裹效应 。
对 r ∈ [ 0 , ∞ ) d ,记 [ − r , r ] = { u : | u i | ≤ r i } 。用点向量 c 和实矩阵 理路 矩阵 Matrix 以有限行列集合为索引、取值于半环,并以中间指标求和定义乘法的函数。 C ∈ R d × d 保存集合
(1) X = c + C [ − r , r ] . C 不必可逆,r i 可以为零,因此也覆盖退化初值集。它的最小轴平行包围盒是
(2) box ( X ) = c + [ − | C | r , | C | r ] , 其中矩阵绝对值逐元素取,| C | r 是通常的非负矩阵乘法。式(2)的每个端点都能通过分别选择该行所需的 u i 符号取到;但各行的极端方向可能不同,整个盒不一定等于原集合。
一个完整的传播接口
设 Φ 是已经证明在 X 上存在的精确一步流。提出点中心 c + 、点矩阵 A ,并认证一个误差盒 D ,使对每个 u ∈ [ − r , r ] 都有
(3) Φ ( c + C u ) ∈ c + + A C u + D . 选取任意已认证可逆 的点矩阵 Q 。对向量盒 Z ,令
mag ( Z ) i = max ( | Z ― i | , | Z ― i | ) . 若逐分量非负向量 r + 满足
(4) r + ≥ | Q − 1 A C | r + mag ( [ Q − 1 D ] ) , 其中方括号表示可靠的区间外包运算 理路 验证数值计算与区间算术 Verified numerics · Validated numerics · Interval arithmetic 用向外舍入的区间运算构造包含真实结果的可检查外包络,并分辨可靠包含与界的紧致程度。 ,则
(5) Φ ( X ) ⊆ c + + Q [ − r + , r + ] . 证明直接取式(3)中的某个误差 d ∈ D ,左乘 Q − 1 ,逐坐标取绝对值。式(4)覆盖所得全部坐标,右乘 Q 即回到式(5)。更新后保存的是 c + , Q , r + ,不是立刻把式(5)再变成轴平行盒。
若 A C 可逆,可取 Q = A C ,此时旧半径项恰为 r ;线性主部的旋转不会单独扩大它。若 A C 奇异或难以可靠求逆,可改取 Q = I ,仍然正确,只是可能变宽。近似矩阵的可逆性不能由真实流可逆来替代。
直觉
一个旋转后的正方形仍是同样大的正方形,但它的最小轴平行外包盒通常更大。保留矩阵 C ,相当于同时保存方块的两根边向量;只保存每个坐标的最小最大值,就忘记了一个分量增大时另一个分量怎样变化。
包裹效应可以发生在完全精确的有理运算中,因而不是多打印几位小数就能消除的舍入误差。反过来,保留坐标关系也不消除局部截断误差;这些新误差仍须进入 D 。
怎么获得式(3)的误差盒
假设已有可计算 C 1 映射 ψ 和统一余项盒 E ,使
(6) Φ ( x ) ∈ ψ ( x ) + E ( x ∈ X ) . 例如验证Taylor步 理路 验证 Taylor 步与全步包围 Validated Taylor integration step · Interval Taylor method for ODE 先用严格包含认证全步轨道盒,再计算有限Taylor端点包围,逐步维护全部初值解的包含不变量并显式报告拒绝或未决。 给
ψ ( x ) = ∑ k = 0 p h k F k ( t , x ) ,而 E = h p + 1 [ F p + 1 ] ( I , B ) 。先前认证的全步盒 B 负责保证式(6)确实针对真实流成立。
在包含 X 的凸盒上取得 D ψ 的区间矩阵 [ J ] 。沿 c 到 x 的线段应用微积分基本定理 理路 微积分基本定理 Fundamental theorem of calculus 积分与求导在适当连续性条件下互为逆过程。 ,
ψ ( x ) − ψ ( c ) = ( ∫ 0 1 D ψ ( c + s ( x − c ) ) d s ) ( x − c ) . 平均Jacobian属于 [ J ] 。选一个方便的点矩阵 A ,于是式(3)可用以下盒认证:
(7) D ⊇ ψ ( c ) − c + + E + ( [ J ] − A ) [ C [ − r , r ] ] . 这次区间乘法允许放弃余项中的相关性,但仍把主要的 A C u 留在点矩阵中。c + 可以是近似的中心传播结果;它与 ψ ( c ) 的差必须保留,不能默认为零。
式(7)是方便的充分构造,并非最紧选择。若能直接把非线性差 ψ ( c + C u ) − c + − A C u 包得更窄,也可加上 E 后用作 D 。可靠性只要求式(3)成立。
例子与边界
有理旋转中的指数假扩张
令
(8) R = ( 3 / 5 − 4 / 5 4 / 5 3 / 5 ) , X 0 = [ − ε , ε ] 2 , ε > 0. R T R = I 、det R = 1 ,所以每一步只是旋转。若每步都保存轴平行盒,则两个坐标半径相同,递推为
(9) b n + 1 = 7 5 b n , b n = ( 7 5 ) n ε . 这里所有数都可以精确用有理数计算,仍然出现指数扩张。
真实集合是 R n X 0 。由于二维旋转矩阵每行的绝对值和不超过 2 ,它的轴平行半径始终不超过 2 ε 。取 c n = 0 、C n = R n 、r n = ( ε , ε ) ,在式(3)中用 A = R , D = 0 ,再取 Q = R C n ,式(4)直接给 r n + 1 = r n 。这一次保留下来的正是被式(9)反复丢掉的相关性。
加入每步新误差后,半径不能一直不变
现在考虑差分包含
(10) x n + 1 ∈ R x n + [ − δ , δ ] 2 , δ ≥ 0. 它可以表示每个已认证传播步新引入的统一余项;不能只因主矩阵为旋转就删去这些扰动。仍取 Q = R n + 1 ,对称半径可按
(11) r n + 1 = r n + | ( R n + 1 ) − 1 | ( δ , δ ) T 更新。因此每个坐标不超过 ε + ( n + 1 ) 2 δ 。这给线性而非指数的额外增长,但不是宣称扰动影响为零。
若依旧每步轴平行盒化,半径则为
b n = ( 7 5 ) n ε + 5 2 δ [ ( 7 5 ) n − 1 ] . 两种证书都可靠,差别在保留的信息。精确可达集合的支撑方向还可逐项累加 R n X 0 与各个旋转误差盒,从第三条路径核对包围。
图片加载失败 左图取 ε = 1 , δ = 0 ,蓝色是四步后的精确旋转正方形,红框是反复盒化所得范围。右图另取 ε = 0.01 , δ = 0.0001 ,在对数纵轴上比较轴平行盒半径与坐标证书换回物理分量后的半径;两者都保留每步新误差。
非线性剩余项要真的算进去
对一步映射
ψ ( x 1 , x 2 ) = ( x 1 + x 2 2 , x 2 ) , X = [ − ε , ε ] 2 , 可把它看成系统 x 1 ′ = x 2 2 , x 2 ′ = 0 长度一的精确流。取 A = C = Q = I 、c = c + = 0 ,仅保留线性部分就会漏掉第一分量的正偏移。
由区间Jacobian,式(7)给 D = [ − 2 ε 2 , 2 ε 2 ] × { 0 } ,是可靠但偏宽的余项。直接利用 x 2 2 ∈ [ 0 , ε 2 ] ,改取
c + = ( ε 2 / 2 , 0 ) , D = [ − ε 2 / 2 , ε 2 / 2 ] × { 0 } , 则式(4)给 r + = ( ε + ε 2 / 2 , ε ) 。对应盒的第一分量恰为 [ − ε , ε + ε 2 ] ,正好达到最小轴平行范围。它仍没有精确保存弯曲集合本身,但中心移动和非线性余项都得到了交代。
换坐标也可能放大余项
Q 若接近奇异,Q − 1 D 可能很宽。选择 Q = A C 能完整保留线性主部,却未必最适合新误差;选择正交或较好条件的坐标可改善余项控制,但也可能扩大 | Q − 1 A C | r 。两项之间有实际权衡,没有“换坐标后永不包裹”的一般保证。
推论与应用
有限精度下,点矩阵也是证书数据
存储的浮点矩阵可以按其精确二进有理值解释为点矩阵。计算 A C 、Q − 1 A C 和中心差时,若没有精确运算,应采用包含外包络,并把乘法和求逆误差计入式(4)。不能把近似QR结果当作严格正交矩阵,再无证地用 Q T 替代其逆。
一种简单的复核路线是提供有理矩阵 Q , V ,精确验证 V Q = Q V = I 后令 V = Q − 1 。另一条路线可调用验证线性系统 理路 区间线性系统的解集与包围 Interval linear system · Oettli–Prager theorem · 区间矩阵正则性 明确区间数据的存在量词,用逐行充要条件判断解集成员,再以预条件残差认证全部点系统的正则性和解包围。 取得逆作用的可靠包围;这仍要检查对应方法的条件。求逆失败意味着当前坐标证书未通过,可选 Q = I 继续,不能照用未认证的逆。
输入集合若先为轴平行盒,初始化可取其中心、C = I 和逐分量半径。每一步维护式(1)的集合包含,只有在求值需要盒输入或最终报告各分量范围时才使用式(2)。用于求值的暂时外包盒不应取代下一步保存的坐标集合,否则主要收益会丢失。
计算量与输出边界
给定 D 的可靠构造后,稠密点矩阵乘法、换基及一般求逆按朴素实现需 O ( d 3 ) 算术工作,矩阵存储为 O ( d 2 ) ;矩阵乘半径向量需 O ( d 2 ) 。区间Jacobian、Taylor系数与整步存在认证的成本另外计算,有理位数和浮点精度也不包括在这个算术计数里。
若选择存储越来越多独立生成方向而不合并误差,可进一步保留相关性,但存储量会随步数增加。本页固定使用一组 d 个坐标方向加盒余项,给出完整包含公式;它不是完整的Lohner实现,也没有定义高阶Taylor-model代数。
对数范数 理路 对数范数与瞬时增长界 Logarithmic norm · Matrix measure 从单位映射的单侧增率定义带符号的矩阵增长量,证明常用公式与最小指数传播界,并追踪换尺度的代价。 描述真实动力学在所选范数下的最坏增长;包裹效应描述数值集合表示丢失关系后的额外增长。真实系统会扩张时,可靠证书也可能必须变宽。反之,本页旋转例说明真实流不扩张时,逐步轴平行盒化仍可能产生巨大但可靠的外包盒。
参考资料
N. S. Nedialkov、K. R. Jackson、G. F. Corliss,“Validated Solutions of Initial Value Problems for Ordinary Differential Equations”,Applied Mathematics and Computation 105 (1999), pp.21–68。作者技术报告目录 ,1997报告 vsode.97.ps.gz:§6 pp.15–17,§7 pp.17–18,§7.2 pp.21–23,讨论反复盒化、矩阵乘积次序和中心化传播。
N. S. Nedialkov、K. R. Jackson,“A New Perspective on the Wrapping Effect in Interval Methods for Initial Value Problems for Ordinary Differential Equations”,Perspectives on Enclosure Methods ,Springer,2001,pp.219–264。作者技术报告目录 ,报告 ned.scan00.ps.gz,§1 pp.219–221:包裹、方法稳定性和坐标选择的背景。本页式(3)–(7)使用自行证明的有限集合接口。